18 de Agosto de 2021
Óptica

Toma de imágenes con microfibras ópticas

Para inspeccionar lo recóndito: con fibras muchísimo más finas que el ojo de una cerradura se han tomado imágenes 3D sin necesidad de componentes ópticos de mayor tamaño.

Esta imagen de un cruce de calles de San Francisco está creada por un lidar. Ahora se le ha dado a un sistema que enfoca y recibe pulsos de láser con fibras ópticas de grosor submilimétrico la capacidad de crear imágenes tal y como lo hace un lidar, es decir, según las diferencias en el tiempo de vuelo de los pulsos emitidos y recibidos. El dispositivo podría usarse como endoscopio [Daniel L. Lu].

Miles Padget, de la Universidad de Glasgow, y sus colaboradores han ideado un método de crear imágenes tridimensionales, a un ritmo casi de vídeo, con fibras ópticas muy delgadas y sin elementos ópticos adicionales que aumenten el tamaño del dispositivo. El sistema funciona como un lidar, es decir, se basa en el tiempo de vuelo, ida y vuelta, de luz. Con esta técnica es posible construir un endoscopio que filme en vísceras huecas o en interiores de recintos que no se pueden abrir, como un reactor nuclear.

Padget y sus colaboradores ofrecen detalles del dispositivo en un artículo, todavía no revisado por pares, que han publicado en el repositorio de prepublicaciones arXiv. La idea fundamental consiste en enviar pulsos de láser por una fibra óptica y captar con otra fibra óptica sus reflejos en el objeto del que se quieren tomar imágenes. El lapso de tiempo entre el envío del pulso y su reflejado eco descubre, al milímetro, la distancia a que está cada punto filmado. El sistema puede tomar las imágenes aun a dos metros y medio de distancia.

La técnica funciona porque los científicos pudieron modular los pulsos de láser con mucha precisión. Al frente de onda de la luz le daban forma de modo tal que a la salida de la fibra la luz se enfocase en un solo punto determinado. En los primeros ensayos lograron escanear 23.000 puntos por segundo y medir su distancia; con ello, se creaban en un ordenador conectado al sistema imagenes tridimensionales. Obtuvieron así sucesiones de cinco fotogramas por segundo.

FIN 1
El original (<em>a la izquierda</em>) y las tomas de lidar (<em>a la derecha</em>). La ilustración 2 del artículo de Padget y sus colaboradores muestra qué imágenes ofrece el sistema. Los puntos de color naranja se encuentran más cerca de la punta de la fibra óptica, los puntos azul oscuro están más lejos [Stellinga, Daan et al., "Time of flight 3D imaging through multimode optical fibres", figura 2].

El mayor problema con que tropieza esa forma de proceder está en que las fibras ópticas, de 40 centímetros de longitud, alteran el pulso de láser mientras se propaga por ellas; uno útil en el principio llegaría a la boca de la fibra en un estado inservible. Esta dificultad se ha resuelto en parte. El grupo la aborda calibrando primero el sistema: determinan en qué se convierte una señal tras pasar por la fibra y pueden deducir entonces el efecto en una señal de partida. Para una medición adecuada, al pulso de láser se le tiene que dar forma de modo que la alteración que sufra en la fibra lo convierta en la señal de salida deseada, la que se enfoca en un punto del objeto.

Un inconveniente de este procedimiento es que la fibra no se puede mover después del calibrado. Por eso, se tiene que poder acceder a la punta hasta poco antes de la toma de imágenes, lo que no es compatible con la idea de poder realizarla en sitios a los que no es posible llegar de otra forma. Pero, escriben los autores en su artículo, hay esperanzas fundadas de que las aberraciones causadas por la fibra óptica se podrán medir más adelante en tiempo real y con acceso solo al cabo de atrás. Las correcciones necesarias se podrían efectuar entonces incluso para un endoscopio que se flexionase constantemente.

Un problema adicional es la miniaturización de la segunda fibra óptica. Como debe recoger tanta luz reflejada como sea posible, ha de ser mucho más gruesa que la fibra con que se emite el pulso de láser, cuya alma tiene un diámetro como el de un cabello. En el prototipo del grupo de Glasgow el alma de la fibra receptora tenía un diámetro de 500 micrómetros, medio milímetro, y el conjunto sumaba un grosor de 600 micrómetros, mayor que el de un cabello humano pero dos órdenes de magnitud menor que el tamaño de los elementos de un lidar de los que se usan para imágenes topográficas. También aquí se pueden concebir alternativas, escriben los investigadores. Se podría usar una fibra que enviase el pulso de láser por su alma y recibiese el eco de la luz por la vaina. En cuanto al aprovechamiento del sitio con que se cuenta, esa es la solución más eficaz.

Jan Dönges

Referencia: «Time of flight 3D imaging through multimode optical fibres», de Daan Stellinga et al., en arXiv:2107.11450 [physics.optics].

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